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Mémoire présenté en vue de l’obtention
Du diplôme de
Magister en : Génie Mécanique
Option : Construction Mécanique
Conception par la CAO des parties fixes d’une
éolienne et les solutions technologiques de
liaisons de l’installation.
Présenté par :
Hamza Soumia
Soutenu publiquement le …… /……/……
Devant le jury composé de :
Pr. HECINI Mabrouk Président Université de Biskra
Dr. HADID Mohamed Rapporteur Université de Biskra
Pr. MOUMMI Noureddine Examinateur Université de Biskra
Dr. TATI Abdelouahab Examinateur Université de Biskra
الجمھوریة الجزائریة الدیمقراطیة الشعبیةRépublique Algérienne Démocratique et Populaire
وزارة التعلیم العالي و البحث العلميMinistère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université Mohamed Khider – Biskra
Faculté des Sciences et de la technologie
Département : Génie Mécanique
Ref :………………
جامعة محمد خیضر بسكرة
اـوم و التكنولوجیـلـة العـكلی
ةالھندسة المیكانیكی م:ــقس ……………ع:ـــالمرج
I
Remerciements
Nous remercions ALLAH le tout Puissant qui nous a éclairé le bon chemin
Nous remercions notre encadreur Dr HADID Mohamed de m’avoir encadré pour la
préparation de mon projet de fin d'étude et de m’avoir dirigé pour mener à bien ce
travail et pour me donner le gout d’une initiation dans la recherche.
Nous remercions également les membres de jury Monsieur HECINI Mabrouk
et Monsieur MOUMMI Noureddine et Monsieur TATI Abdelouahab d’avoir accepter
d’examiner ce manuscrit.
Sans oublier de remercier l'ensemble des enseignants de département de génie
mécanique de l’université Mohamed Khider de Biskra pour avoir contribuer dans
notre formation.
Dédicace
A mes parons.
A ma famille.
A mes enseignants.
A tous les membres de département du génie mécanique d’université de Biskra.
A tous les membres de laboratoires de génie mécanique d’université de Biskra.
Table des matières
II
Remerciements et dedicace:…………………………………………………………………..I
Table de matiere……………………...………………………………………………………II
Index des figures………………………………………………………..……………..……..VI
Index des tableaux………………………………………………………………………… VIII
Index des symboles………………………………..…………………….…………………….1
Introduction générale………. .................................................................................................. 3
Chapitre I : Généralités sur l’energie éolienne
I.1. L'énergie éolienne ........................................................................................................................ 6
I.2. Historique ........................................................................................................................... 6
I.3. L’éolien dans le monde ............................................................................................................... 8
I.3.1. En Usa et en Chine .......................................................................................................... 9
I.3.2. En Europe ...................................................................................................................... 11
I.3.3. En Asie et en Afrique............................................................................................................ 12
I.4. Les avantages et les inconvénients de l’énergie éolienne ................................................. 12
I.4.1. Les avantage .................................................................................................................. 12
I.4.2.les inconvénients............................................................................................................. 14
I .5. Ressources éoliennes ............................................................................................................... 15
I.5.1.Origine des vents ............................................................................................................ 15
I.5.2.La force de coriolis ................................................................................................................. 16
I.5.3. Les directions dominantes du vent .................................................................................... 17
Table des matières
III
I.6. Critères de choix d’un site éolien .......................................................................................... 17
I.6.1. Conditions climatiques ......................................................................................................... 18
I.6.1.1. Vent ............................................................................................................................. 18
I.6.1.2. Turbulence.................................................................................................................. 20
I.6.2.conditions sur les sites d’implantation .............................................................................. 21
I.7. Potentiel du vent en algérie .................................................................................................... 21
I.8.l'avenir de l'énergie éolienne ................................................................................................... 24
I.9.Le stockage………….…………………….…………………………………….…..……25
Chapitre II : les systèmes éoliens
II.1. Définition du système éolien ................................................................................................. 28
II.2. Classification des Aérogénérateurs .................................................................................... 28
II.2.1. Eoliennes à axe vertical ...................................................................................................... 29
II.2.1.1. Le rotor de savonius ........................................................................................................ 29
II.2.1.2 le rotor de darrieus .......................................................................................................... 30
II .2.2. Eoliennes à axe horizontal ................................................................................................ 30
II.2.2.1.eoliennes sous le vent (aval) ............................................................................................. 31
II.2.2.2. Eoliennes face au vent (amont) ..................................................................................... 32
II.3. Caractéristiques technologiques des éoliennes à axe horizontal .................................. 33
II.3.1. La nacelle ..................................................................................................................... 33
II.3.1.1. Le rotor ...................................................................................................................... 34
Table des matières
IV
II.3.1.2. La girouette et l’anémomètre ........................................................................................ 34
II.3.1.3. Le dispositif d’orientation .............................................................................................. 35
II.3.1.4. Le système de freinage .................................................................................................... 35
II.3.1.5. L’arbre principal .............................................................................................................. 35
II.3.1.6.Le multiplicateur ............................................................................................................... 36
II.3.1.7. L’arbre secondaire ........................................................................................................... 37
II.3.1.8. La génératrice ........................................................................................................... 37
II.3.2. Le mat ........................................................................................................................... 38
II.3.2.1.type du mat de l'éolienne ................................................................................................. 38
II.3.2.1.1. Autoportante ou Guy-cablé ........................................................................................ 38
II.3.2.1.2. Mat en treillis ................................................................................................................. 39
II.3.2.1.3. Mat tubulaire ......................................................................................................... 39
II.3.2.1.4. Mat hybride ........................................................................................................... 40
II.3.2.2.Tendance conception de tour .......................................................................................... 41
II.3.2.3.Hauteur de tour l'eolienne ............................................................................................... 41
II.3.3. La fondation ................................................................................................................. 42
II.4. Le principe de fonctionnement d'une éolienne…......………………………...……..42
Chapitre III: Recherche bibliographie
III.1: recherche bibliographie ....................................................................................................... 45
Table des matières
V
Chapitre IV: cas d’application
IV.1. Introduction ................................................................................................................... 52
IV.2. Géométrie de la tour ..................................................................................................... 52
IV.3. Modélisation des chargements ........................................................................................... 54
IV.3.1. Le poids ....................................................................................................................... 54
IV.3.2. Action du vent sur le mat ................................................................................................. 54
IV.3.3. Action du vent sur les pales ............................................................................................ 57
IV.3.4. Le couple moteur ....................................................................................................... 62
IV.4. Résultants et discussion........................................................................................................ 62
IV.4.1. Calcul des déplacements ................................................................................................... 63
IV.4.2. Calcul des contraintes de Von mises .............................................................................. 63
IV.4.3.Réactions au niveau de la fondation ............................................................................... 65
Conclusion générale ............................................................................................................... 68
Références ............................................................................................................................... 69
Annexe ..................................................................................................................................... 71
Index Des Figures
VI
Chapitre I
Figure I.1 : Moulins à vent (éoliennes classique). .................................................................. 8
Figure I.2 :Classement d’énergie dans le monde ................................................................... 9
Figure I.3 :capacité éolienne installé dans le monde ........................................................... 10
Figure I.4 :Développement d’énergie éolienne dans le monde ........................................... 11
Figure I.5 : La force de Coriolis. ........................................................................................... 16
Figure I.6 : Effet de tunnel. ................................................................................................... 19
Figure I.7 :Effet de colline. .................................................................................................... 20
Figure I.8: Atlas de la vitesse moyenne du vent de l’Algérie estimé à 10m d’altitude du sol . ... 22
Figure I.8: Atlas de la vitesse moyenne du vent de l’Algérie estimé à 25 m d’altitude du sol . .. 22
Chapitre II
Figure II.1 : Conversion de l'énergie cinétique du vent. .................................................... 28
Figure II.2: éoliennes à axe vertical de type SAVONIUS ................................................... 30
Figure II.3: éoliennes à axe vertical de type DARRIEUS ................................................... 30
Figure II.4: Eolienne à axe horizontal .................................................................................. 31
Figure II.5 : éolienne sous le vent, tripale flexible. .............................................................. 32
Figure II.6 : Eolienne face au vent (amont) . ....................................................................... 32
Figure II.7 : les principales composantes de la nacelle ...................................................... 33
Figure II.8 :Rotor d’une turbine. .......................................................................................... 34
Figure II.9 : La girouette et l’anémomètre. ......................................................................... 35
Index Des Figures
VII
Figure II.10 : L’arbre principal d’une éolienne . ................................................................ 36
Figure II.11 : Le multiplicateur . .......................................................................................... 36
Figure II.12 : Type du mat (tour) de l'éolienne .................................................................. 38
Figure II.13 : Les fondations de grandes éoliennes ............................................................ 42
Chapitre IV
Figure IV.1 : Dimensions de la tour d’éolienne et sa disposition ....................................... 53
Figure IV.2 : Détails à la base de la tour de l'éolienne Vestas............................................ 54
Figure IV.3 : Coefficient de trainée en fonction de nombre de Reynolds ......................... 56
Figure IV.4 : Distribution de l’intensité du vent le long de la tour.................................... 57
Figure IV.5 : Section d’une pale en situation de rafale. ..................................................... 58
Figure IV.6 : Le Profile considérer de la pale...................................................................... 60
Figure IV.7 :Evolution des valeurs de Fn le long de pale à 45 m. ..................................... 61
Fig IV.8 :Déflexion maximale le long de la tour. ................................................................. 63
Fig IV.9.Contrainte de Von mises le long de la tour sur la ligne face au vent. ................. 64
Figure IV.10 :Contrainte de Von mises en échelle colorée à la base de la tour. ............... 65
Figure IV.11 :Contrainte de Von mises en échelle colorée à la base de latour..…………65
Liste De Tableaux
VIII
Chapitre I
Tableau I.1 : Les directions du vent suivant leurs latitudes. ........................ 17
Tableau I.2 : Vitesses du vent en Algérie ....................................................... 23
Chapitre IV
Tableau IV.1. Valeurs de Fn le long de la pale 45 m ................................... 61
Tableau IV.2 :Valeurs des réactions au niveau de la base de la tour.......... 66
Index des symboles
1
u : la charge du vent (N/m2).
D : diamètre extérieur (mm).
Pd : la pression dynamique.
Cd : le coefficient de traînée.
ρ : la masse volumique de l’air (kg/m3).
V : la vitesse moyenne du vent (m/s).
Cr : est le coefficient de rugosité.
Ct : est le coefficient de topographie.
Vréf : la vitesse de référence (m/s).
: est la viscosité cinématique de l’air (m2 /s).
Re : du nombre de Reynolds.
V : La vitesse du vent (m/s).
U : la vitesse linière de rotation (m/s).
W : la vitesse du vent relatif (m/s).
C : Le couple moteur (N.m).
P : la puissance de la génératrice (w).
ω : la vitesse de rotation (rad/s).
Cn: Coefficient aérodynamique.
Cz: Coefficient aérodynamique de portance.
Cx: Coefficient aérodynamique de trainé.
Fn: La force aérodynamique (N).
l: Largeur de profile (m).
r: Rayon élémentaire (m).
R : Rayon de disque crée par les pales (m).
α : Angle de calage.
Index des symboles
2
i : l’angle d’incidence.
β : l’angle que fait l’axe de l’éolienne avec le vent réel.
I: l’angle d’inclinaison.
λ0 : vitesse spécifique.
3
Introduction générale
Au cours des dernières décennies, la demande sur la production d'énergie
durable a conduit à une multitude de solutions technologiques innovantes. La
pénurie prévisible des carburants conventionnels dans un avenir proche combiné
aux impacts négatifs sur l'environnement causés par les techniques
traditionnelles de production d’électricité, a créé une situation qui a forcé les
acteurs impliqués dans le domaine de la production d'énergie à explorer de
nouveaux horizons pour la production d'énergie. Ils se sont donc penchés surtout
sur des sources dites propres, en l’occurrence le solaire et l’éolien qui sont
devenus les sources de substitution par excellence dans ces recherches.
La conversion de ces nouvelles sources d’énergies nécessite l’utilisation de
certaines installations spécifiques. Dans le cas d’éoliennes la partie fonctionnelle
étant la turbine composée d’un certain nombre de pales. Cette turbine doit être
placée à une certaine hauteur garantissant une vitesse de vent plus forte et plus
régulière, d’où l’utilisation d’une tour. Le coût d’une tour dans l’investissement
total d’une éolienne est aux alentours de 30%, ce qui représente une marge
importante. Toute tentative de réduction du coût total de l’installation doit
considérer une étude d’optimisation du coût de la tour. Cette minimisation de
cout nécessite la compréhension des éléments technologiques et la réalisation
des calculs nécessaires pour de telles recherches. En effet, plusieurs études
récentes [1-7] sont consacrées à l’étude approfondie de tours d’éoliennes. Ces
tours sont construites en général soit en béton armé ou en acier. Il convient de
souligner que l'utilisation de l'acier pour la construction de tours d'éoliennes a
augmenté très rapidement au cours de ces dernières années.
Le présent travail propose une démarche dans le calcul d’une tour en acier
d’éolienne d’une puissance de 1.65 MW. La tour présente une structure
spécifique de par son élancement important et de par ses sollicitations de
fonctionnement. L’outil de calcul étant les éléments finis. Notre pays qui veut
4
s’engager dans d’importants projets concernant les énergies renouvelables doit
impérativement avoir une certaine maitrise et une certaine expertise des aspects
liés à ces types de calcul ce qui n’est pas suffisamment pris en charge
actuellement, d’où ce travail.
Le présent mémoire est organisé en quatre chapitres ;
Le premier chapitre est consacré aux généralités et aux définitions concernant
l’énergie éolienne et les éoliennes ainsi à l’historique qu’a connue l’éolien. Il est
cité aussi l’évolution dans l’exploitation et la transformation de l’énergie
éolienne dans les différents continents. Pour montrer l’importance du choix du
site d’implantation d’éoliens, il est cité les directions dominantes de la
circulation des vents à l’échelle du globe. En plus, il est donné l’influence des
reliefs et des topologies sur la circulation du vent à l’échelle locale.
La définition du système éolien et la classification de ces systèmes est le sujet du
deuxième chapitre. Aussi, il est présenté dans le même chapitre les différentes
parties et organes fonctionnels d’une éolienne, avec plus de détails sur les
différents types de tour utilisés pour les éoliennes à axe horizontal.
Une recherche bibliographique est donnée au troisième chapitre sur les
principaux et récents travaux liés aux tours d’éoliennes, cette partie illustre
l’importance de l’étude de cette partie d’éolienne que ce soit du point de vue
fonctionnel ou surtout du point de vue économique.
Le mémoire s’achève par un quatrième et dernier chapitre consacré dans son
ensemble aux calculs d’une tour d’une grande éolienne. La tour en question
pouvant porter un aérogénérateur de 1,6 MW de puissance. Il est donné la
démarche complète pour le calcul de ce type de structure spécifique. Il est
commencé par la présentation des détails de la géométrique de la tour qui a une
hauteur de près de 80m, ensuite, il est donné une modélisation de toutes les
sollicitations causés par le fonctionnement de l’éolienne dans des situations
extrêmes et selon les normes en vigueur. Le calcul donne le comportement de la
structure et vérifié son intégrité.
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
6
I.1. L'énergie éolienne :
L'énergie d'origine éolienne fait partie des énergies renouvelables.
L’aérogénérateur utilise l’énergie cinétique du vent pour entraîner l’arbre de son
rotor : celle-ci est alors convertie en énergie mécanique elle-même transformée
en énergie électrique par une génératrice électromagnétique accouplée à la
turbine éolienne .Ce couplage mécanique peut être soit direct si la turbine et la
génératrice ont des vitesses du même ordre de grandeur, soit réalisé par
l'intermédiaire d'un multiplicateur dans le cas contraire. Enfin il existe plusieurs
types d’utilisation de l’énergie électrique produite : soit elle est stockée dans des
accumulateurs, soit elle est distribuée par le biais d’un réseau électrique ou soit
elle alimente des foyers isolés. Le système de conversion éolien est également le
siège de pertes : à titre indicatif, le rendement est de 59 % au rotor de l’éolienne,
de 96% au multiplicateur ; il faut de plus prendre en compte les pertes de la
génératrice et des éventuels systèmes de conversion [2].
I.2. Historique :
L’utilisation de l’énergie contenue dans le vent date de la plus haute
antiquité orientale. Ainsi l’emploi de la voile pour la navigation des bateaux qui
remonterait à 5000 ans en Egypte et prés de 4000 ans en Chine.
C’est environ au Vème siècle avant J.C que les éoliennes à axe vertical
apparaissent dans quelques iles grecques et à la même époque, des éoliennes à
axe horizontal auraient été utilisées en Egypte. Au IIIème siècle avant J.C, Héron
d’Alexandrie décrit une petite éolienne à axe vertical activant un compresseur
d’air qui permet le fonctionnement d’un orgue, instrument de musique mu
jusqu’alors par l’énergie hydraulique.
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
7
Le moulin à vent à axe vertical fonctionne en Perse en 134 ans avant J.C,
des murs protègent les pâles du vent au cours de leur retour.
En Chine, au VIIème siècle, l’irrigation se fait à partir d’éolienne à axe
vertical présentant la particularité d’avoir des pâles mobiles qui s’effacent
pendant leur retour. Les éoliennes à axe horizontal ne semblent y pénétrer que
beaucoup plus tard, c’est-à-dire au XIIIème siècle.
C’est au XIIème siècle que l’éolienne fait son apparition en Europe, on
notera l’existence d’une éolienne en France en 1105 puis en 1191 en Angleterre.
Les moulins à vent sont construits couramment en Hollande à partir de 1439.
Léonard De Vinci dessine des éoliennes à six pales en 1500, c’est le premier qui
a eu l’idée d’étudier scientifiquement sur papier l’énergie du vent. On a retrouvé
récemment des dessins d’éoliennes ressemblant étrangement à certains projets
actuels. Il avait pensé au moulin à vent à axe vertical, aux venturis avec turbine
au centre.
Le perfectionnement des moulins à vent va se poursuivre tout au long de
XVIème et XVIIème siècle, on perçoit déjà à cette époque des volets de bord
d’attaque et de bord de fuite, et la géométrie variable. Les constructeurs et les
utilisateurs s’occuperont déjà de la sécurité, de la fiabilité et automaticité de
leurs appareils.
En 1870 la roue éolienne inventée et construite par les américains va
contribuer à l’essor du pompage de l’eau ; ce type d’éolienne aura été utilisé de
par le monde jusqu’à ces dernières années, plus d’un million de ces éoliennes
ont été utilisées.
L’aérogénérateur, association d’une éolienne et d’une génératrice est réalisé
par lord Kelvin, mais elle ne verra le jour qu’en 1880.
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
8
C’est au cours de la période de 1900-1960 que des éoliennes de grandes
dimensions sont construites et la puissance des installations atteint et dépasse le
mégawatt, mais ces prototypes ont vite été abandonnés parfois même avant leur
mise au point définitive, face au faible coût des autres formes d’énergies.
Comme nous avons souligné plus haut c’est 1973 que l’on s’est retourné
vers l’énergie éolienne du fait des grands chocs pétroliers de l’époque 1973-
1975.
Il y a eu donc à ce moment-là une orientation particulière pour un essor de
l’énergie éolienne notamment aux USA, Allemagne, Suède, Grande Bretagne et
en France [1].
Figure I.1 : Moulins à vent (éoliennes classique) [1].
I.3. L’éolien dans le monde :
Les nouvelles exigences sur le développement durable conduisent les
Etats à remettre en cause des méthodes de production d'énergie et à augmenter la
part des énergies renouvelables dans la production. Le protocole de Kyoto
engage les pays signataires à réduire leurs émissions de gaz à effet de serre.
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
9
Cet accord a participé à l'émergence de politiques nationales de
développement de l'éolien et d'autres énergies également car les éoliennes
n'émettent pas de dioxyde de carbone [2].
Trois facteurs ont contribué à rendre la solution éolienne plus compétitive :
• les nouvelles connaissances et le développement de l'électronique de
puissance,
• l'amélioration des performances en aérodynamique pour la conception des
turbines éoliennes,
• le financement des Etats pour l'implantation de nouvelles éoliennes.
Figure I.2 :Classement d’énergie dans le monde[2].
I.3.1. En USA et en Chine :
En 2010, la chine cumule 42,3 GW d’énergie éolienne et devient le
premier pays en termes de capacité installée totale, dépassant les Etats-Unis qui
figuraient à la première place depuis 2007. Le pays a installé 16,5 GW en 2010,
ce qui constitue un nouveau record par rapport aux 13,8 GW de 2009. Cela met
la chine sur la bonne voie pour atteindre les 200 GW de puissance éolienne
installée d’ici 2020 et produire 15 % de son électricité à partir de sources
renouvelables.
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
10
Pour atteindre ce résultat, le gouvernement a identifié en 2008 les six
régions les plus ventées et leur a affecté des objectifs de capacité installée –
compris entre10GW et 23 GW – à atteindre d’ici 2020.
Durant le même temps, la chine est aussi devenue le premier producteur
mondial d’éoliennes avec 7 entreprises dans le top 15 mondial des fabricants. En
2010, le constructeur chinois Sino Vel (11 % du marché) se hisse à la deuxième
place, derrière le danois Vestas mais devant l’américain General Electric (10 %)
qui est relégué au troisième rang, ex-aequo avec un autre chinois, Goldwind, qui
détient lui aussi 10 % du marché. Aux Etats −Unis, un ensemble de mesures,
prises en 2009, ont été très bénéfiques pour maintenir la dynamique dans le
secteur lors du ralentissement économique de la période 2008-2009. À la fin de
l’année 2009, l’industrie éolienne américaine employait 85 000 personnes [2].
Figure I.3 :capacité éolienne installé dans le monde[2].
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
11
I.3.2. En Europe :
L’Europe a pris une longueur d’avance en matière d’énergies
renouvelables en affirmant son ambition d’atteindre l’objectif de 20 %
d’énergies renouvelables dans sa consommation finale d’énergie en 2020.
L’éolien contribuera à l’essentiel de cet objectif, en ce qui concerne la
production d’électricité. Fin 2010, 84 278 MW éoliens sont installés en Europe,
pour une production annuelle de 181 millions de MMℎ, soit 5,3 % de la
consommation électrique européenne.
Plusieurs pays ont annoncé des plans de développement massif : outre le
Danemark(3 180 mW), l’Allemagne (23 903 mW) et l’Espagne (16 740 mW),
locomotives historiques de l’éolien en Europe, le Royaume-Uni a récemment
annoncé un programme d’investissement dans les énergies renouvelables de 100
milliards de livres d’ici 2020, dont une importante partie consacrée à l’énergie
éolienne qui devra totaliser 28 000 mW en 2020.De son côté, la Norvège a
dévoilé un programme d’investissement à grande échelle visant à créer entre 5
000 et 8 000 mW de capacités supplémentaires [2].
Figure I.4 :Développement d’énergie éolienne dans le monde[2].
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
12
I.3.3. En Asie et en Afrique :
L’inde est le cinquième marché mondial de l’éolien avec plus de 13 000
mW installés fin 2010. Selon l’agence internationale de l’Énergie, la puissance
installée pourrait atteindre65GW en 2020. Suzlon, son principal opérateur
industriel, est devenu l’un des premiers constructeurs mondiaux. De son côté,
l’Afrique bénéficie d’un vaste potentiel pour le développement de l’énergie
éolienne, surtout dans le nord, le long des côtes et en Afrique du sud. À la fin de
l’année 2009, environ 96 % des installations éoliennes du continent (763 mW)
se trouvaient en Egypte (430 mW), au Maroc (253 mW) et en Tunisie (54
mW).En Afrique du sud, 7 000 mW sont actuellement en développement [2].
I.4. Les avantages et les inconvénients de l’énergie éolienne :
La croissance de l'énergie éolienne est évidemment liée aux avantages de
l'utilisation de ce type d'énergie. Cette source d'énergie a également des
désavantages qu'il faut étudier, afin que ceux-ci ne deviennent pas un frein à son
développement.
I.4.1. Les avantage :
L’énergie éolienne, propre, fiable, économique, et écologique, c’est une
énergie qui respecte l'environnement.
Bien que ne pouvons pas envisager de remplacer totalement les sources
traditionnelles d’énergie, l’énergie éolienne peut toutefois proposer une
alternative intéressante et renouvelable. Elle s’inscrit parfaitement dans
l’effort global de réductions des émissions de CO2, etc. ….
L'énergie éolienne est une énergie renouvelable propre, gratuite, et
inépuisable.
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
13
Chaque mégawatheure d’électricité produit par l’énergie éolienne aide à
réduire de 0,8 à 0,9 tonne les émissions de CO2 rejetées chaque année par la
production d’électricité d'origine thermique.
Parmi toutes les sources de production d’électricité, celle d’origine éolienne
subit de très loin le plus fort taux de croissance.
L'énergie éolienne n'est pas non plus une énergie à risque comme l'énergie
nucléaire et ne produit pas de déchets toxiques ou radioactifs.
L'exploitation de l'énergie éolienne n'est pas un procédé continu puisque les
éoliennes en fonctionnement peuvent facilement être arrêtées, contrairement
aux procédés continus de la plupart des centrales thermiques et des centrales
nucléaires. Ceux-ci fournissent de l'énergie même lorsque que l'on n'en a pas
besoin, entraînant ainsi d'importantes pertes et par conséquent un mauvais
rendement énergétique.
Les parcs éoliens se démontent très facilement et ne laissent pas de trace.
C'est une source d'énergie locale qui répond aux besoins locaux en énergie.
Ainsi les pertes en lignes dues aux longs transports d'énergie sont moindres.
Cette source d'énergie peut de plus stimuler l’économie locale, notamment
dans les zones rurales.
La durée de vie des éoliennes modernes est maintenant de 20 à 25 ans, ce qui
est comparable à de nombreuses autres technologies de production d'énergie
conventionnelles.
C'est l'énergie la moins chère entre les énergies renouvelables, le coût de
l’éolienne à diminuer presque de 90% depuis le début des années 80. Le coût
de l'énergie éolienne continue de diminuer grâce aux percées technologiques,
à l'accroissement du niveau de production et à l'utilisation de grandes
turbines.
Cette source d'énergie est également très intéressante pour les pays en voie de
développement. Elle répond au besoin urgent d'énergie qu'ont ces pays pour
se développer. L'installation d'un parc ou d'une turbine éolienne est
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
14
relativement simple. Le coût d'investissement nécessaire est faible par
rapport à des énergies plus traditionnelles, ce type d'énergie est facilement
intégré dans un système électrique existant déjà.
L'énergie éolienne se révèle une excellente ressource d'appoint d'autres
énergies, notamment durant les pics de consommation, en hiver par exemple
[3].
I.4.2.Les inconvénients:
Mêmes s’ils ne sont pas nombreux, l’éolien a quelques désavantages :
L’impact visuel : Cela reste néanmoins un thème subjectif. Des images de
synthèse sont élaborées pour montrer l’impact visuel. Dans la plus grande
majorité des cas, les enquêtes réalisées montrent une réelle acceptation des
populations voisines ou visitant un site éolien.
Les bruits mécaniques ou aérodynamiques ont été réduits par l’utilisation de
nouveaux profils, extrémités de pale, mécanismes de transmission etc.
et ne sont plus une gêne, même proche des machines (50-60 dB équivalent à
une conversation). Une distance d’environ huit fois le diamètre permet de ne
plus distinguer aucun bruit lié à cette activité (< 40 dB). De plus, il faut
souligner que le bruit naturel du vent, pour des vitesses supérieures à 8 m/s, a
tendance à masquer le bruit rayonné par l’éolienne.
Les éoliennes peuvent nuire à la migration des oiseaux en étant un obstacle
mortel. En effet, les pales en rotation sont difficilement visibles par mauvais
temps ou la nuit. Les oiseaux peuvent alors entrer en collision avec celles-ci.
Plus le parc éolien est dense plus ce risque est grand. Des lumières sur les
pales peuvent réduire ce danger. Cependant, aucune étude sérieuse ne semble
actuellement avoir démontré la réalité du danger pour les oiseaux.
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
15
La source d’énergie éolienne étant stochastique, la puissance électrique
produite par les aérogénérateurs n’est pas constante. La qualité de la
puissance produite n’est donc pas toujours très bonne. Jusqu’à présent, le
pourcentage de ce type d’énergie dans le réseau était faible, mais avec le
développement de l’éolien, notamment dans les régions à fort potentiel de
vent, ce pourcentage n’est plus négligeable. Ainsi, l’influence de la qualité de
la puissance produite par les aérogénérateurs augmente et par suit, les
contraintes des gérants du réseau électrique sont de plus en plus strictes.
Les systèmes éoliens coûtent généralement plus cher à l’achat que les
systèmes utilisant des sources d’énergie classiques, comme les groupes
électrogènes à essence, mais à long terme, ils constituent une source
d’énergie économique et ils demandent peu d’entretien [3].
I .5.Ressources éoliennes : I.5.1. Origine des vents :
L’atmosphère, composée d’oxygène, d’azote et d’eau, est caractérisée par
sa pression, sa température et son humidité, dont les paramètres varient avec
l’altitude à cause de la rotondité de la terre. Le rayonnement solaire est absorbé
de façon très différente aux deux pôles et l’équateur or l’énergie absorbée à
l’équateur est très supérieure des deux pôles. Ces variations de température
provoquent différentes densités de masses d’air, entrainant ainsi leur
déplacement d’une latitude à une autre. Le déplacement de ces masses d’air
s’effectue des zones de haute pression vers des zones de basse pression. Ces
déplacements sont considérablement influencés par la force de Coriolis, qui
s’exerce perpendiculairement à la direction du mouvement, vers la droite, dans
l’hémisphère nord et vers la gauche dans l’hémisphère sud.
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
16
Le vent est donc caractérisé par deux (02) variables par rapport au temps
[1] :
La vitesse
La direction
I.5.2 La force de Coriolis :
A cause de la rotation de la terre, tout mouvement dans l’hémisphère nord
semblera se dévier vers la droite, si nous l’observons depuis la terre, dans
l’hémisphère sud, des mouvements sont déviés vers la gauche. On appelle cette
force de déviation la force de Coriolis (d’après Gustave Gaspard Coriolis 1792-
1843).La force de Coriolis est un phénomène visible, les rails, par exemple
s’usent plus rapidement d’un côté que de l’autre.
Dans l’hémisphère nord, les vents tendent à souffler dans le sens inverse
des aiguilles d’une montre lorsqu’ils approchent d’une zone de basse pression.
Dans l’hémisphère sud en revanche ils tendent à souffler dans le sens des
aiguilles d’une montre autour d’une dépression [1].
Figure I.5 : La force de Coriolis [1].
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
17
I.5.3. Les directions dominantes du vent :
Le tableau suivant représente les directions dominantes du vent en fonction de la
latitude
Latitude 90°
60°N
60°
30°N
30°
0°N
0°
30°N
30°
60°N
60°
90°N
Direction NE SO NE SE NO SE
Tableau I.1 : Les directions du vent suivant leurs latitudes.
Il existe plusieurs types de vents dans la nature, parmi ces types, il y a les
vents globaux, ou l’air s’élève à l’équateur s’étendant vers le nord et le sud dans
la haute atmosphère.
La force de Coriolis joue un rôle très important qui est celui d’empêcher
les courants d’air d’aller plus loin dans les deux hémisphères nord et sud. On
trouve aussi des vents de surface qui se situent jusqu'à environ 100 m de
hauteur. L’influence de la surface de sol sur les vents est importante. En matière
d’énergie éolienne ce sont les vents de surface et leur capacité énergétique qui
présentent le plus grand intérêt. Quant aux vents de montagne, ils donnent
naissance à beaucoup de phénomènes climatologiques intéressants. La brise de
vallée en est un exemple. Elle se produit sur les versants exposés au sud dans
l’hémisphère nord, le réchauffement des versants et de l’air avoisinant font
tomber la densité de l’air, en conséquence l’air commence à s’élever vers le
sommet de la montagne produisant ce que l’on appelle une brise montante. La
nuit le phénomène s’inverse et une brise descendante se produit [1].
I.6. Critères de choix d’un site éolien :
Les critères de choix d’une implantation éolienne dépendent de la taille,
puissance et de nombre d’unités. Ils nécessitent la présence d’un vent régulier et
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
18
diverses conditions telles que : présence d’un réseau électrique pour recueillir le
courant, absence de zones d’exclusion (dont périmètre de monuments
historiques, sites classés), terrain approprié, etc.
I.6.1. Conditions climatiques :
I.6.1.1. Vent :
L’efficacité d’une éolienne dépend notamment de son emplacement. En
effet, la puissance fournie augmente avec le cube de la vitesse du vent, raison
pour laquelle les sites sont d’abord choisis en fonction de la vitesse et de la
fréquence des vents présents. Un site avec des vents d’environ 30 km/h de
moyenne sera environ 8 fois plus productif qu’un autre site avec des vents de 15
km/h de moyenne. Une éolienne fonctionne d’autant mieux que les vents sont
réguliers et fréquents.
Certains sites bien spécifiques augmentent la vitesse du vent et sont donc
plus propices à une installation éolienne :
Effet de tunnel :
Entre les grands bâtiments ou dans un col étroit, le phénomène peut être
observé. Le vent se trouve comprimé sur le côté exposé au vent du bâtiment ou
de la montagne, ce qui fait accélérer considérablement sa vitesse entre les
obstacles. Cela implique que, bien la vitesse normale dans un terrain dégagé soit
de, disons 6 m/s, elle atteindra facilement 9 m/s dans un couloir naturel.
L’installation d’une éolienne dans un tel tunnel est donc une façon intelligente
d’obtenir une vitesse du vent supérieure à celle de la zone ambiante. Cependant,
afin d’obtenir un effet de tunnel utilisable, le tunnel doit être enclavé de pentes
douces, si les collines entourant le tunnel sont très rugueuses et accidentées, il
peut y avoir beaucoup de turbulences dans le vent, ce qui fait que le vent change
de vitesse et de directions sans cesse et très rapidement[1].
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
19
Figure I.6 : Effet de tunnel [1].
Effet de colline
Juste avant d’arriver au sommet d’une montagne, le vent est accéléré et
comprimé, et lorsqu’il arrive à l’autre côté, il devient lent et faible. En règle
générale, on cherche à installer les éoliennes sur une colline ou une chaine de
hauteurs qui sont plus élevées que le paysage environnant. Surtout, il faut de
préférence avoir une vue aussi dégagée que possible dans la direction des vents
dominants. Si l’on rencontre souvent des vitesses de vent accélérées sur les
collines, c’est à cause de la différence de pression existant à l’avant et à l’arrière
de celles-ci. Ainsi, le vent se trouve comprimé par la colline à la face exposée au
vent, pour s’étendre ensuite, une fois passé le sommet, vers la zone de basse
pression de côté sous le vent de la colline.
Comme on le voit sur la figure (I.7), le vent commence à dévier bien avant
qu’il n’arrive à la colline. Ce phénomène est dû à l’étendue assez considérable
de la zone de haute pression se trouvant à l’avant de la colline.
Tout comme c’était le cas pour l’effet de tunnel, une colline accidentée ou à
pentes raides peut provoquer de fortes turbulences ce qui risque d’annuler
l’avantage que l’on compte normalement gagner par une accélération de la
vitesse [1].
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
20
Figure I.7 :Effet de colline [1].
I.6.1.2. Turbulence :
Par définition la turbulence est l’irrégularité de la vitesse et de la direction
du vent. En effet, en règle générale, les éoliennes sont utilisables quand la
vitesse du vent a une valeur comprise entre 10 et 20 km/h, sans toutefois
atteindre des valeurs excessives qui conduiraient à la destruction de l’éolienne
ou à la nécessité de la débrayer (pâles en drapeau) pour en limiter l’usure. La
vitesse du vent doit donc être comprise le plus souvent entre ces deux valeurs
pour un fonctionnement optimal de l’éolienne. De même, l’axe de rotation de
l’éolienne doit rester la majeure partie du temps à la parallèle à la direction du
vent. Même avec un système d’orientation de nacelle performant, il est donc
préférable d’avoir une direction de vent la plus stable possible pour obtenir un
rendement optimal (alizés par exemple). Certains sites proches de grands
obstacles sont ainsi à proscrire car le vent y est trop turbulent [1].
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
21
I.6.2.Conditions sur les sites d’implantation :
Bien que le vent soit l’élément principal pour l’implantation des éoliennes
dans un site donné, il y d’autres conditions que doit satisfaire ce dernier, voici
quelques-unes :
La nature du sol : il doit être suffisamment résistant pour supporter
les fondations de l’éolienne. Ce critère n’est pas déterminant car dans
le cas d’un sol meuble, des pieux seront alors enfoncés sous les
fondations de l’éolienne.
L’accessibilité du site : il doit permettre le transport des gros
éléments de l’éolienne (pales, tour, nacelle) et des grues nécessaires
au montage.
La connexion au réseau électrique : pour cela, les petites fermes
d’éoliennes sont le plus souvent situées à proximité d’un poste de
transformation haute tension afin de diminuer le coût de
raccordement qui est directement fonction de la distance à ce poste.
Pour les grosses fermes d’éoliennes, le réseau doit être en mesure de
supporter l’énergie produite, et son renforcement est parfois
nécessaire (renforcement ou création de poste de transformation).
I.7. Potentiel du vent en Algérie :
Les cartes des vents de l’Algérie, estimées à 10 m du sol et à 25 m du sol
sont présentées sur les deux figures suivantes. Les vitesses moyennes annuelles
obtenues varient de 2 à 6.5 m/s. On remarque que la majorité du territoire se
trouve classé dans la gamme de vitesses allant de 3 à 4 m/s, (région des Hauts
Plateaux et le Sahara). Les vitesses du vent augmentent et sont maximales dans
les régions situées au centre du grand Sahara (Adrar, In Salah et Timimoune).
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
22
On distingue plusieurs microclimats, à savoir autour d’Oran, Tiaret, In
Aménas, ainsi que les environs de Biskra, où les vitesses de vent enregistrées
sont supérieures 4 m/s. Enfin, la côte Ouest de la méditerranéenne, le Hoggar,
ainsi que la région de Béni- Abbes présentent les vitesses moyennes annuelles
les plus faibles (< 3 m/s) [2].
Figure I.8: Atlas de la vitesse moyenne du Figure I.9: Atlas de la vitesse moyenne du vent de l’Algérie estimé à 10 m d’altitude vent de l’Algérie estimé à 25 m d’altitude du sol[2]. du sol[2].
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
23
Tableau I.2 : Vitesses du vent en Algérie[2].
En fin, la région centrale de l'Algérie est caractérisée par des vitesses de
vent variant de 3 à 4 m/s, et augmente au fur et à mesure que l'on descend vers le
sud-ouest, le maximum est obtenu pour la région d'Adrar avec une valeur
moyenne de 5.9 m/s. Cependant, on notera l'existence de plusieurs microclimats
où la vitesse excède les 5 m/s comme dans les régions de Tiaret, Tindouf et Oran
[2].
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
24
I.8.L'avenir de l'énergie éolienne :
La montée du prix des énergies fossiles a rendu les recherches dans le
domaine de l’éolien plus attirantes pour les investisseurs.
La technologie actuellement la plus utilisée pour capter l’énergie éolienne
utilise des hélices sur axe horizontal. Certains prototypes utilisent un axe de
rotation vertical : une nouvelle technologie à axe vertical est celle du kitewind
generator (inspirée du kitesurf)qui, pour capter un vent le plus fort possible,
utilise des câbles et des ailes qui peuvent arriver à 800/1000m de hauteur.
La technologie à axe vertical présente certains inconvénients :
L'encombrement spatial est important, il correspond à une sphère d’un
diamètre égal à celui de l’hélice, reposant sur un cylindre de même diamètre. Un
mât de hauteur importante est nécessaire pour capter un vent le plus fort
possible.
Le vent doit être le plus régulier possible, et donc interdit des
implantations en milieu urbain ou dans un relief très accidenté.
La vitesse de l'extrémité d'une pale croit rapidement avec sa taille, au
risque de causer défauts de fonctionnement et bruits pour le voisinage. Dans la
pratique, les pales des grandes éoliennes ne dépassent jamais une vitesse de
l'ordre de 100m/s à leur extrémité.
En fait, plus l'éolienne est grande, et moins le rotor tourne vite (moins de
10 tours/minute pour les grandes éoliennes offshores).
Les nouvelles éoliennes en cours de développement visent à aboutir à une
technologie qui s’affranchit du bruit, de l’encombrement et de la fragilité des
éoliennes à pales, tout en étant capables d’utiliser le vent quelle que soit sa
direction et sa force.
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
25
De nombreuses variantes sont étudiées par des essais réels en grandeur
nature. Certaines éoliennes sont de petite taille (3 à 8mètres de largeur, 1 à 2
mètres de hauteur), avec pour objectif de pouvoir les installer sur les toitures
terrasses des immeubles d’habitation dans les villes, ou sur les toitures des
immeubles industriels et commerciaux, dans des gammes de puissances allant de
quelques kW à quelques dizaines de kW de puissance moyenne. Leur vitesse de
rotation est faible et indépendante de la vitesse du vent. Leur puissance varie
linéairement avec la vitesse du vent, qui peut varier de 5km/h à plus de
200km/h, sans nécessiter la célèbre "mise en drapeau" des éoliennes à pales [8].
I.9. Le stockage:
Énergie intermittente et incontrôlable, l'éolien a besoin de grandes
capacités de stockage :
1. Pour stocker l'énergie éolienne en site isolé. Ainsi, une communauté qui
s'alimentait à 100% avec un groupe diesel, après l'installation de 2
éoliennes et de batteries de grande capacité, s'alimente maintenant à 86%
en éolien. Le diesel n'assure que le complément de 14%. On voit qu'avec
ces batteries de grande capacité on peut développer l'éolien au-delà de ce
qui se fait actuellement. La seule limite est l'investissement en capacité de
stockage de l'électrolyte; c’est-à-dire jusqu'où on est décidé à aller dans ce
domaine.
2. En tant que stockage tampon en complément de la production d'un parc
éolien. Lorsque la production éolienne faiblit, le déstockage fournit le
complément pour garder la production finale quasi stable. Lorsque la
production éolienne est suffisamment forte, il y a reconstitution du stock.
Ainsi les 2 courbes de production éolienne et stockage sont opposées et
complémentaires. La somme des deux fournit au réseau une courbe de
production "lissée" (comme au parc éolien de Sapporo au Japon).
Chapitre I: Généralités sur l’énergie éolienne
26
Sur le plan purement technique, le dernier retour d'expérience sur une
tentative visant le100% de production d'électricité d'origine renouvelable, initiée
en Allemagne en 2006 à la demande de Mme Merkel, démontre qu'il est possible
d'y parvenir. Ce qui pourrait permettre à terme de rendre l'Allemagne totalement
indépendante en énergie électrique. Pour tenter cette expérience, le stockage de
type STEP (stations de transfert d'énergie par pompage) a été utilisé pour la
partie éolienne, exactement comme le fait la France avec le nucléaire pour
adapter la production peu souple des centrales à la variabilité de la demande
journalière.
Aux États-Unis, une entreprise conçoit de nouvelles éoliennes qui
produisent de l'air comprimé au lieu de l'électricité. Dans la nacelle des
éoliennes au lieu d'un alternateur se trouve donc un compresseur d'air. L'air
comprimé est stocké et permet de faire tourner un alternateur aux moments où
les besoins se font le plus sentir. Du point de vue du stockage de l'énergie, cette
façon de faire impose une conversion d'énergie (de l'air comprimé vers
l'électricité, avec un rendement réduit), mais permet de positionner la production
électrice sur le pic de consommation, où l'électricité est payée plus chère, avec
une conversion de moins que par le processus classique (électricité vers le
stockage puis du stockage vers l’électricité). Certains pensent même que l'on
pourrait utiliser directement l'air comprimé ainsi produit pour alimenter des
voitures automobiles propulsées avec ce fluide [8].
Chapitre II: Les systèmes éoliens
28
II.1. Définition du système éolien :
Un système éolien ou aérogénérateur, dit encore éolienne peut être défini
comme étant : un système composé d’éléments aptes à transformer une partie de
l’énergie cinétique du vent (fluide en mouvement) en énergie mécanique puis en
énergie électrique. La plupart des aérogénérateurs commerciaux, surtout les
grands, sont à axe horizontal, la part de marché représentée par les systèmes à
axe vertical étant faible. Les aérogénérateurs de grande taille sont parfois
construits isolément ou rassemblés en groupes (parc d’éoliennes) comportant dix
éléments ou plus, parfois même des centaines [1].
Figure II.1 : Conversion de l'énergie cinétique du vent[5 ].
II .2. Classification des Aérogénérateurs :
Généralement, on classifie les éoliennes suivant l’orientation de leur axe de
rotation par rapport à la direction du vent. On distingue ainsi deux grandes
familles [6]:
- Les aérogénérateurs à axe horizontal
- Les aérogénérateurs à axe vertical
Chapitre II: Les systèmes éoliens
29
II.2.1. Eoliennes à axe vertical :
Elles ont été conçues pour s’adapter au mieux avec les contraintes
engendrées par les turbulences du milieu urbain.
Grâce à ce design, elles peuvent fonctionner avec des vents provenant de
toutes les directions et sont moins sensibles à ces perturbations que les éoliennes
à axe horizontal. Elles sont relativement silencieuses et peuvent facilement
s’intégrer au design des bâtiments. Leurs faiblesses résident principalement dans
la faible maturité du marché (coûts d’investissement élevés).
En raison de leur petite taille, l’énergie produite est faible mais s’adapte
bien aux besoins des consommateurs d’un logement social. Elles trouvent donc
leur place dans le milieu urbain.
Les principaux aérogénérateurs à axe vertical sont le rotor de SAVONIUS
et le rotor de DARRIEUS [6].
II.2.1.1. Le rotor de SAVONIUS :
Ce type d’aérogénérateur utilise la traînée et est constituée de parties
cylindriques en opposition. Un couple se crée mettant alors le générateur en
mouvement. La vitesse de démarrage de ces machines est plutôt basse, autour de
2 m/s.
Les éoliennes à axe vertical s’adaptent particulièrement bien aux effets de
la turbulence. De plus, ce design ne fait pas beaucoup de bruit et finalement
convient bien au milieu urbain (Figure II-2) [6].
Chapitre II: Les systèmes éoliens
30
Figure II.2: éoliennes à axe vertical de type SAVONIUS [6].
II.2.1.2 Le rotor de DARRIEUS:
Inventé par l’académicien français DARRIEUS au cours des années 1920-
1935 reposes sur l’effet de traînée d’un profil soumis à l’action d’un vent relatif.
Il existe quatre sortes de rotors de DARRIEUS: le rotor cylindrique, le rotor
tronconique, le rotor à variation cyclique et le rotor parabolique
Figure II.3: éoliennes à axe vertical de type DARRIEUS [6].
II .2.2. Eoliennes à axe horizontal :
Les éoliennes à axe horizontal sont basées sur le principe des moulins à
vent. Elles sont constituées d’une à trois pales profilées aérodynamiquement. Le
plus souvent le rotor de ces éoliennes est tripales, car trois pales constituent un
bon compromis entre le coefficient de puissance, le coût et la vitesse de rotation
du capteur éolien ainsi que l’aspect d’équilibrage de la machine par rapport au
bipales.
Chapitre II: Les systèmes éoliens
31
Les éoliennes à axe horizontal sont les plus employées car leur rendement
aérodynamique est supérieur à celui des éoliennes à axe vertical, elles sont
moins exposées aux contraintes mécaniques et ont un coût moins important.
Deux types de configurations peuvent être rencontrés :
Figure II.4: Eolienne à axe horizontal [6].
II.2.2.1.Eoliennes sous le vent (aval) :
Dans ce type d’éoliennes le vent souffle derrière les pales comme le
montre la figure (II.5). L’avantage de ce montage réside dans le fait que les
pales de rotor peuvent être plus flexibles, ce qui allège donc leur construction et
diminue aussi la taille du pylône ; par fort vent la flexion des pales enlève une
partie de l’effort de poussée sur le rotor. Ces éoliennes ont donc une
construction plus légère qu’un modèle face au vent, cependant, le pylône bien
qu’il soit plus petit constitue un obstacle au vent ce qui augmente le risque de
rupture de la pale et génère une production fluctuante d’électricité.
Chapitre II: Les systèmes éoliens
32
Figure II.5 : éolienne sous le vent, tripale flexible[1].
II.2.2.2. Eoliennes face au vent (amont) :
Ce sont les plus répondues. Le rotor est orienté dans la direction du vent
afin que le vent en amont ne soit pas perturbé par le pylône (figure (II.6)). A
l’arrière du pylône, il y a en effet de fortes perturbations du vent, son
écoulement étant ralenti par l’obstacle que forme le pylône.
Il en est de même devant le pylône mais dans de moindres proportions.
C’est pour cette raison que le rotor se trouve à une certaine distance du pylône.
Les pales des éoliennes face au vent doivent être rigides pour ne pas risquer de
heurter le pylône par fort vent. En plus, il est obligatoire de munir l’éolienne
d’un mécanisme d’orientation afin que le rotor soit toujours face au vent[1].
Figure II.6 : Eolienne face au vent (amont) [1].
Chapitre II: Les systèmes éoliens
33
II.3. Caractéristiques technologiques des éoliennes à axe horizontal:
Les différents éléments d’une éolienne sont conçus d’une manière à
maximiser la conversion énergétique, pour cela, une bonne adéquation entre les
caractéristiques couple/vitesse de la turbine et de la génératrice électrique est
nécessaire. Nous présentons dans ce qui suit dans l’ordre de construction les
différentes parties d’une éolienne :
II.3.1. La nacelle :
Contient tous les éléments mécaniques qui permettent de transformer
l’énergie mécanique produite par les pales en énergie électrique : les pales,
l’anémomètre et le rotor sont fixés sur la nacelle. A l’intérieur se trouvent : la
boîte de vitesse, la génératrice, les systèmes de contrôles, le capteur de
température, le capteur de vibration et le capteur de vitesse. La nacelle se situe à
environ 60 mètres au-dessus du sol [1].
Figure II.7 : les principales composantes de la nacelle [1].
Chapitre II: Les systèmes éoliens
34
Elle comporte donc les éléments suivants :
I.3.1.1. Le rotor :
Composé de plusieurs pales (en général 3) et du nez de l’éolienne. Les
pales sont aujourd’hui faites de matériaux composites à la fois légers et assurant
une rigidité et une résistance suffisantes. Leur longueur atteinte actuellement
entre 30 et 55 mètres, soit un diamètre du rotor compris entre 60 et 110 mètres.
La puissance d’une éolienne est proportionnelle à la surface balayée par ses
pales (un cercle), donc au carré du diamètre du rotor[3].
Figure II.8:Rotor d’une turbine[3].
II.3.1.2. La girouette et l’anémomètre :
La girouette et l’anémomètre permettent de connaitre la direction et la
vitesse du vent, Ils participent ainsi à l’autonomie presque complète des
éoliennes, ils sont souvent associés à un dispositif d’orientation de l’éolienne
[1].
Chapitre II: Les systèmes éoliens
35
Figure II.9 : La girouette et l’anémomètre [1].
II.3.1.3. Le dispositif d’orientation :
Il est situé sous la nacelle, il permet d’orienter les pales face au vent
d’après les données recueillies par la girouette et l’anémomètre. Il est
principalement composé d’un puissant moteur capable de faire pivoter toute la
partie supérieure de l’éolienne. [1]
II.3.1.4. Le système de freinage :
Il est très important dans une éolienne, le disfonctionnement des freins
peut être fatal à l’éolienne. Le freinage a d’ailleurs été l’un des premiers
problèmes rencontrés par les constructeurs lors des débuts des éoliennes. Pour
des vents trop forts le générateur s’emballe et peut alors détruire de nombreux
composants de la nacelle. Ainsi le système de freinage s’impose pour des vents
dépassants les 90km/h, il permet alors d’empêcher le rotor de tourner [1].
II.3.1.5. L’arbre principal :
Cet axe est directement entrainé par le rotor (principalement par les
pales), il tourne à basse vitesse mais avec beaucoup de force (couple fort). Il est
relié ensuite à un multiplicateur [1].
Chapitre II: Les systèmes éoliens
36
Figure II.10 : L’arbre principal d’une éolienne [1].
II.3.1.6.Le multiplicateur :
C’est un convertisseur de puissance, il multiplie la vitesse d’entrée (rotor
de l’éolienne) pour atteindre la vitesse de sortie exigée par la génératrice
électrique, en multipliant parfois par 70 la vitesse de rotation initiale. Il est
constitué d’un assemblage d’engrenages. La vitesse de rotation d’une roue à une
autre est multipliée par le nombre de dents de la plus grande roue sur le nombre
de dents de la plus petite. Le rendement est variable suivant la puissance
transmise, mais il est environ de 97%.
La lubrification peut se faire par barbotage ou par injection forcée. Le
refroidissement est souvent à air. Le multiplicateur est monté sur plots élastiques
(plots de caoutchouc) pour amortir les vibrations et limiter la transmission du
bruit à la structure porteuse [1].
Figure II.11 : Le multiplicateur [1].
Chapitre II: Les systèmes éoliens
37
3 types de multiplicateurs peuvent être utilisés avec les aéromoteurs :
• Le plus simple est le multiplicateur a engrenages à un ou plusieurs trains de
roues dentées cylindriques ; d’une réalisation économique il est toute de même
encombrant pour un rapport de multiplication élevé.
• L’utilisation de trains planétaires permet de réaliser des multiplications élevées
sous un encombrement réduit. Leur utilisation se généralise de plus en plus;
cette technique permet de réaliser des rapports de multiplication élevés sous un
encombrement réduit et avec un bon rendement de transmission. Les axes
d’entrée et de sortie sont colinéaires voir coaxiaux.
• Le multiplicateur à couple conique permet une disposition de l’arbre de sortie
perpendiculaire à l’arbre d’entrée.
II.3.1.7. L’arbre secondaire :
Comporte généralement un frein mécanique qui permet d’immobiliser le
rotor au cours des opérations de maintenance et d’éviter l’emballement de la
machine.
II.3.1.8. La génératrice :
La génératrice convertit l’énergie mécanique en énergie électrique. Les
génératrices des éoliennes doivent pouvoir fonctionner avec une source de
puissance (c.-à-d. le rotor de l’éolienne) qui fournit une puissance mécanique
(un couple) très fluctuante. Il faut refroidir les génératrices lorsqu’elles
travaillent. Sur la plupart des éoliennes, on assure ce refroidissement en
enrobant la génératrice dans un conduit et en installant dans celui-ci un grand
ventilateur qui refroidit à l’air. Il y a cependant un petit nombre de constructeurs
d’éoliennes qui utilisent des génératrices refroidies par eau. Ces génératrices
peuvent être construites de façon plus compacte ce qui comporte quelques
avantages au niveau du rendement électrique, mais elles requièrent en même
temps l’installation d’un radiateur dans la nacelle afin de se débarrasser de la
chaleur provenant du système de refroidissement par liquide.
Chapitre II: Les systèmes éoliens
38
II.3.2. Le mât :
Composé de trois parties vient se fixer sur la partie supérieure de la
fondation revue à cet effet, en général, le mât est composé de trois parties
permettant un transport plus simple.
Il est fixé à la fondation par des boulons, partiellement serrés, permettant
ainsi une certaine extension de la structure soumise en permanence à de
nombreuses forces. Le mât sert également à protéger les immenses câbles
électriques qui passent à l’intérieur, ainsi l’électricité produite est acheminée
vers le réseau principal.
II.3.2.1.Type du mat de l'éolienne :
La figure (II.12) présente trois types de tours d'éoliennes qui sont
largement rencontrés pour les éoliennes à axe horizontal: tour en treillis, tour
tubulaire et tour hybrides.
Figure II.12 :Type du mat (tour) de l'éolienne [7].
II.3.2.1.1. Autoportante ou Guy-câblé:
Chacun des types mentionnés ci-dessus des tours peuvent être effectuées
en « posture libre » ou un « Guy-câblé ».
Utiliser des câbles de haubanage peut faire baisser le coût initial de la tour, car
cela nécessiterait moins de matières pour la tour. Beaucoup de petites éoliennes
utilisent des haubans pour cette raison, toutefois, les coûts de maintenance pour
Chapitre II: Les systèmes éoliens
39
les haubans ajoutés à d'autres coûts de l'opération, doit donc être évitée si
possible. En outre, les haubans nécessitent une plus grande empreinte (surface
virtuelle occupée) et les fondations supplémentaires. Par conséquent, il peut
présenter un problème avec l'accessibilité des terres et l'utilisation qui peut ne
pas convenir dans les zones agricoles.
II.3.2.1.2. Mat en treillis :
Une tour en treillis est fabriquée à partir de fermes (morceaux de cornières
ou de barres) ou des cadres qui sont boulonnés ou soudés ensemble comme le
montre la figure (II.12). En général, le coût initial de construction d’une tour en
treillis est inférieur à la tour tubulaire, car il nécessite moins de matériaux pour
une rigidité similaire. Bien que le coût des matériaux de départ puisse être plus
faible pour le tour en treillis, les coûts d'assemblage et de maintenance peuvent
être plus élevés car chaque boulon doit correspondre à un cahier des charges et
doit être vérifié périodiquement. Contrairement à la tour tubulaire, la dimension
de base n'est pas retenue par la limite de taille de l'article (voir tour tubulaire).
En outre, le coût de fondation peut être inférieur à la tour tubulaire en raison des
fondations sur pied peu coûteux à chaque pied châssis utilisé. Esthétiquement, la
tour en treillis est moins attrayante. Ce qui représente un facteur important.
II.3.2.1.3. Mat tubulaire :
La tour tubulaire est illustrée à la figure (II.12) Il s’agit d’un tuyau de
section transversale circulaire. De nombreuses tours tubulaires sont soit effilées
(conique) ou gradin qui a un diamètre augmentant vers le bas. En outre,
l'épaisseur de la paroi peut varier le long de la hauteur de la tour afin de sauver
du matériau tout en satisfaisant les exigences structurelles. Des flasques
boulonnées sont couramment utilisées pour joindre les sections de la tour et de
garantir la fixation de la tour à la fondation.
Chapitre II: Les systèmes éoliens
40
La tour tubulaire possède de nombreux avantages sur la tour en treillis. La
zone fermée de la cavité tour tubulaire est utile. Premièrement, il fournit un
couvert, aire protégée pour l'escalade pour accéder à l'éolienne dans de
mauvaises conditions météorologiques. En outre, il fournit une surface couverte
pouvant accueillir de nombreux composants électriques. Dans un climat, zone
froide venteux ou humide, il s'agit d'une caractéristique importante. Il fournit un
certain niveau de sécurité en limitant l'accès à la turbine contrairement à la tour
en treillis. En outre, il est plus facile d'entretien. Bien que le coût matériau de
départ puisse être supérieur à la tour en treillis, il ne repose pas sur de
nombreuses connexions boulonnées qui ont besoin d'être vérifiés
périodiquement. Esthétiquement, elle est plus attrayante que la tour en treillis.
Les pays européens ont toujours favorisé les tours tubulaires pour des raisons
esthétiques. Toutefois, pour les éoliennes de très grandes dimensions, le
transport peut être un défi. Les sections des tours tubulaires sont fabriquées puis
assemblés sur le site de l'éolienne. La limitation actuelle de la taille de la section
tubulaire est de 4,3 m de diamètre [7].
II.3.2.1.4. Mat hybride :
La tour hybride combine différentes configurations de la tour de
l'éolienne. La tour hybride illustrée à la figure (II.12) est un exemple. Elle est
appelée «la conception restante» combinant de tubes d'acier, de poutres d'acier
et de Guy-câblée. Le nom vient de l'analogie de la méthode de soutien d'un mât
de voilier. Pour cette conception, les haubans peuvent être utilisés sans
nécessiter de fondations supplémentaires. Comme il est mentionné, le type
tubulaire a une limitation de la section la plus importante de la taille (environ 4,3
m pour les grandes turbines). Cette limite peut se traduire par soudage sur site et
la fabrication qui peuvent compromettre la qualité de la tour. Le transport des
sections de plus grand diamètre peut être très coûteux aussi [7].
Chapitre II: Les systèmes éoliens
41
II.3.2.2.Tendance conception de Tour :
À l'heure actuelle, le type le plus commun est la tour autoportante
tubulaire pour les grandes éoliennes et il devrait être plus populaire dans
l'avenir. Pour les petits tours d'éoliennes, l'utilisation de haubans sur le pylône
tubulaire est largement considérée.
II.3.2.3.Hauteur de tour l'éolienne :
La hauteur de la tour est un paramètre dépendant du site car il est fonction
des caractéristiques du vent qui est fonction du site. L'optimisation de
conception pour le moindre coût pourrait favoriser les hautes tours dans les
zones de vents faibles et les courtes tours dans les zones de vent fort. Cependant,
s'il ya des obstacles comme les arbres ou les objets de grande taille qui peuvent
rendre l'écoulement du vent plus turbulent, une plus haute tour sera nécessaire.
En outre, de hautes tours peuvent protéger la turbine de l'effet de cisaillement du
vent si le site est souvent le siège d’un important taux de cisaillement du vent.
En général, plus grande est la tour, plus puissante est l’énergie produite
par le système. Selon, la hauteur de la tour qui doit être d’au minimum de 20 m
[7]. Plus favorable encore, la hauteur de la tour devrait être supérieure à 24 m
pour éviter toute turbulence à proximité du sol.
Par rapport à la dimension du rotor, il est généralement de l’ordre de 1 à
1,5 fois le diamètre du rotor pour une turbine à axe horizontal en vent normale.
Pour une éolienne de petite puissance, la hauteur du pylône par rapport au
diamètre du rotor est beaucoup plus élevée afin de bénéficier de la vitesse du
vent supérieure à une hauteur plus élevée.
En effet, la demande de la plus haute tour est en train d'augmenter. Les
défis qui viennent avec la conception de la plus haute tour sont pour la rendre
structurellement sûre à un coût raisonnable en considérant les exigences
imposées par l’assemblage et le transport de l'installation. La grande tour a
besoin de grandes grues pour l'installation et il peut être difficile à les
Chapitre II: Les systèmes éoliens
42
transporter. L'utilisation de grues peut-être même impossible en fonction de
l'emplacement d'installation.
L'idée d'une tour à montage automatisé a été évaluée et a montré un
certain potentiel pour résoudre ce problème pour de hautes tours.
Auto-tours ériger utilise des mécanismes tels que les mécanismes de
télescopage, tour-dispositifs d'ascension, un cadre ou levage-up des systèmes.
II.3.3. La fondation :
Est composée d’épais blocs de béton armé (béton renforcé par une
structure métallique) d’environ 100 tonnes voir plus, enterrés à 5 à 6 mètres de
profondeur. Au-dessus de cette fondation, une autre dalle est coulée afin de fixer
la première partie du mât (illustré sur la figure (II.13)).
Figure II.13 : Les fondations de grandes éoliennes[1].
II.4. le principe de fonctionnement d’une éolienne :
Sous l’effet du vent, le rotor tourne. Dans la nacelle, l’arbre principal
entraîne un alternateur qui produit l’électricité. La vitesse de rotation du rotor
(de 12 à 15 tours/minute) doit être augmentée par un multiplicateur de vitesse
jusqu’à environ 1500 tours/minute, vitesse nécessaire au bon fonctionnement de
l’alternateur. Des convertisseurs électroniques de puissance ajustent la fréquence
du courant produit par l’éolienne à celle du réseau électrique auquel elle est
raccordée (50 Hz en Europe), tout en permettant au rotor de l’éolienne de
tourner à vitesse variable en fonction du vent. La tension de l’électricité produite
Chapitre II: Les systèmes éoliens
43
par l’alternateur, de l’ordre de 600 à 1000 volts, est ensuite élevée à travers un
transformateur de puissance, situé dans la nacelle ou à l’intérieur du mât, jusqu’à
un niveau de 20 ou 30 KV.
Ce niveau de tension permet de véhiculer l’électricité produite par
chacune des éoliennes d’une centrale éolienne jusqu’au point de raccordement
au réseau électrique public. La tension de l’électricité produite par la centrale
peut alors être de nouveau transformée, en fonction du niveau de tension de
raccordement de la centrale au réseau public [3].
Pour pouvoir démarrer, une éolienne a besoin d’une vitesse de vent minimale, de
l’ordre de 10 à 15 km/h. Et au-delà de 90 km/h, les turbines s’arrêtent de
tourner. Tout d’abord, la fréquence d’occurrence des vents d’une vitesse
supérieure à 90 km/h est généralement faible (inférieure à 1 %), et si les
éoliennes fonctionnaient dans ces conditions, elles subiraient des efforts
importants qui entraîneraient une usure prématurée de leurs équipements.
Compte tenu du faible gain relatif sur la production que représente un
fonctionnement par vent fort, les ingénieurs préfèrent, dans ces conditions,
stopper les machines et attendre le retour de vents plus modérés et plus réguliers.
Si les éoliennes ne fonctionnent pas au-delà d’une vitesse de vent de 90 km/h,
leurs fondations n’en sont pas moins conçues pour résister à des vents beaucoup
plus importants. La puissance d’une éolienne classique est de 1 à 1,5 MW, mais
les éoliennes de la nouvelle génération atteignent 2 à 3 MW et des modèles de 5
MW sont d’ores et déjà testés par les constructeurs [3].
Chapitre III: Recherche bibliographie
45
III.1: recherche bibliographie :
Suite à une recherche minutieuse dans la littérature, nous présentons dans
ce chapitre quelques études importantes permettant d’illustrer les techniques et
les méthodes de détermination de cout de fabrication, de la nature du matériau et
de la structure d’un mat d’une éolienne.
Tout d’abord, parmi les études trouvées dans la littérature, nous citerons
les travaux de la référence [9], les auteurs calculent la structure d’un mat et de
son comportement face aux charges statiques et sismiques, ils présentent des
résultats concernant la capacité portante et le comportement sismique d'une tour
prototype en acier d'une turbine éolienne de 450 kW, son axe de transmission de
puissance est horizontal.
La structure du palier de charge principale de la tour d'acier se situe à peu
près à 38 m de haut et se compose de parois en parties cylindriques et coniques,
les différents parties de la paroi sont reliés entre eux par des anneaux circulaires
boulonnés (des brides intérieures).
Le comportement et la capacité de chargement de la structure ont été
étudiés à l'aide de l’outil de calcul en éléments finis. Des études comparatives
ont été effectuées et des conclusions utiles sont tirées concernant l'efficacité et la
précision des différents modèles utilisés. Il s’est avéré que les modèles
analytiques simplifiés, comme celles recommandés par les codes de calcul des
bâtiments, ne peuvent pas prédire avec exactitude les charges critiques liées à
des phénomènes locaux de flambage pour ce type de structures.
Toutefois, si de tels modèles sont utilisés, un grand soin doit être exercé
dans l'intégration appropriée des conditions aux limites aux extrémités de
chaque section de la structure. Par ailleurs des modèles numériques
approximatifs peuvent également produire des résultats assez précis pour
Chapitre III: Recherche bibliographie
46
l'analyse sismique. Dans la plupart de ces types de structures de tours une
analyse sismique ne produit aucune réaction critique.
Une autre étude [10], propose la conception et le calcul de modèle d’un
prototype de tour d'éoliennes en acier d'une puissance de 1 MW. La structure est
de 44 m de haut et a une forme tubulaire à section variable et d'épaisseur
variable de la paroi sur toute sa hauteur. La matière utilisée est un acier de
nuance S355J2G3.
Pour la simulation de sa réponse structurelle, deux modèles d’éléments
finis ont été développés. L’analyse du comportement de la tour a considéré, la
gravité, les charges dus au fonctionnement, des charges sismiques et les charges
du vent selon les normes Eurocodes pertinentes. En particulier, en ce qui
concernant le chargement sismique, une analyse dynamique a été réalisée selon
le Code grec antisismique (EAK 2000).
La réponse de la structure a été vérifiée contre la fatigue en appliquant la
méthodologie respective d’Eurocodes. Il est à noter que l'utilisation d'un modèle
simplifié statique linéaire est suffisante pour le calcul de la réponse de base et
des valeurs propres de la structure. Toutefois, il ne suffit pas pour la conception
dû au fait que les concentrations de contraintes locales sont négligées dans ce
modèle. Il est également à souligner que, compte tenu de la norme actuellement
disponible des normes Eurocodes, les calculs concernant l'analyse de flambage
de la coquille de la tour n’est pas très fiable et, par conséquent, il doit être
manipulé avec précaution.
Les calculs concernent les charges, d’un vent extrême combiné aux
charges extrêmes de fonctionnement de la structure. Par ailleurs, l’étude
sismique n’est critique que pour le cas de la construction de tours dans une zone
sismique dangereuse (zone III ou IV), loin de la zone côtière avec un souterraine
d’un sol moyen ou doux. Quant au dimensionnement à la fatigue, il est à noter
Chapitre III: Recherche bibliographie
47
que ce sont les caractéristiques dynamiques de la structure qui restent critiques
dans la conception globale de la tour d'acier.
Une autre étude [11] considère une conception d'une tour en acier d’une
éolienne basée sur la minimisation du coût. La tour d'éolienne examiné est
construite à partir d'anneaux rigidiés légèrement conique enveloppé en acier
soudé. Cette coquille de 45 m de haut est modélisée par des segments empilés,
trois coques cylindriques de 15 m de longueur et ayant chacun un diamètre
moyen et une épaisseur constant.
La charge du vent est calculée conformément à la norme de l'Eurocode 1
partie 2-4. Les contraintes de conception de la coque concernent le flambement
et le voilement local des anneaux constituants la tour. Les rigidification des
anneaux sont nécessaires pour empêcher l'ovalisation de la tour. Il est pris en
compte dans les calculs le coût de fabrication, le coût de traitement pour former
les coquilles dans des près-formes cylindriques, ainsi que le coût pour assembler
et souder les segments. La fonction de coût à minimiser comprend le matériel et
les coûts de fabrication. L'épaisseur de la coque optimale, le nombre de
raidisseurs et les dimensions des raidisseurs sont calculées selon la méthode
Rosenbrock de recherche directe de minimisation, la fonction est complétée par
une discrétisation supplémentaire pour tenir compte de profils disponibles.
Les résultats indiquent que la solution coût minimum correspond au
nombre minimum de d’anneaux raidisseurs. La procédure proposée peut être
considérée comme une base de référence pour la détermination de modèles les
moins coûteux de tours légèrement coniques et qui satisfont aux exigences
structurelles de structures élancées principalement chargées par flexion due à
des charges dynamiques.
Chapitre III: Recherche bibliographie
48
Dans les travaux de la référence [12], les auteurs s’intéressent au calcul de
l’influence des défauts et fissures sur le mat. Ils proposent une analyse de
l'intégrité structurale de tours tubulaires structurelles (c.-à-d. des tours
d’éoliennes et des tours de projecteurs) avec absence de défauts de pénétration
sur leurs soudures bout à bout circulaires. La méthodologie présentée est
particulière à l'analyse de l'absence de défauts de pénétration dans certaines
Sections de plusieurs tours après le processus de construction. Il est également
analysé la façon dont ces défauts affectent l'aptitude au service de tours au cours
de leur durée de vie théorique (20 ans).
La méthodologie (basée sur l'utilisation des diagrammes d'évaluation de
Défaillance, de DCP) peut facilement être extrapolée à l'évaluation des autres
types de défauts de tours. Ces principales hypothèses consistent à établir que les
défauts se comportent comme des fissures internes avec certaines géométries et
aussi que la fracture et la fatigue sont les processus clés qui influent sur
l'intégrité structurelle des tours. Ensuite, c’est la taille de fissure résultant
admissible, correspondant à la durée de vie de la tour, pour les différentes
sections analysés et pour les différentes géométries des fissures considérés qui
est déterminé.
Dans les travaux de la référence [13], les auteurs présentent une étude pour
prévenir des accidents dus aux séismes. Les mécanismes susceptibles de
causalité sont examinés dans la perspective de gestion des risques. Les données
pour l'analyse de cas sont collectées à partir des rapports originaux de
conception de la tour, du code de conception de tours, des dossiers de
construction et de documents des données de l’historique de la vitesse du vent et
de l'analyse structurelle.
Cette étude examine pour la première fois les causes de l'effondrement
d'une tour éolienne à Taiwan sur la base de documents officielles collectés qui
concerne, les résultats analytiques, des expériences de laboratoire, et le résultat
Chapitre III: Recherche bibliographie
49
du test d'hypothèse. Cette enquête aborde les causes possibles de l’effondrement
de la tour et présente des suggestions pratiques pour la gestion des risques de
tours d’éoliennes et les futurs plans d'action pour les domaines de l'évaluation de
la conception structurale, de construction et de gestion de la qualité, et les
documents d'ingénierie.
En termes de gestion des risques, l'identification des causes principales de
l'effondrement, il faut comprendre les risques associés à ces causes, et générer
des plans d'action qui permettent aux gestionnaires de projet pour atténuer les
risques ou d'employer des mesures de contrôle. Cette étude identifie les vents
forts, la force insuffisante des boulons lors de la construction. Les plans d'action
proposés qui permettent d'atténuer ces causes seront très utiles pour les futures
conceptions et la planification de la construction.
Par conséquent, les mécanismes de rupture doivent être identifiés et des
preuves fiables doivent être préservées. En analysant les particularités de la
construction, des procédures de conception et de gestion du système, la gravité
d'une défaillance similaire peut être efficacement minimisée dans l’avenir.
Dans la référence [14], les auteurs proposent une étude théorique pour
améliorer le rapport cout/rendement. La tour est une composante essentielle d'un
système éolien avec son coût s'élevant à environ 30% du coût global
d’installation. L’article en question examine la performance relative des
solutions tour en acier et de béton pour une sélection de hauteurs et des vitesses
de vent au moyen d'un modèle numérique.
Pour chaque cas, les éléments d’aérogénérateur de 5 MW de puissance
sont utilisés pour modéliser les composantes pris en charge par la tour.
L'approche lagrangienne est utilisée pour établir les équations du mouvement du
système dynamique, permettant le couplage de la tour et de son rotor.
Chapitre III: Recherche bibliographie
50
L'analyse est effectuée pour une gamme de hauteurs de tour typiques de
88 à 120 m. La comparaison de la performance relative des solutions de tours est
présenté selon deux courbes de performance. Ce travail illustre les
caractéristiques probabilistes de dépassement d’état limite en fonction des
charges dus au vent.
Dans la référence [7], Le but du travail est la proposition d’une conception
d’une tour d’éolienne de petite taille. Il s’agit de la conception d’un mat qui peut
être facilement installé et désinstallé.
La solution proposée consiste en un mat reposant sur un palier pivotant.
Cette solution a les avantages suivants : le non nécessité de gros moyens pour
son implantation (une grue par exemple) ; de plus il donne facilement l’accès à
la nacelle par la mise à terre par pivotement de la tour.
La vérification de la résistance mécanique de la tour proposée nécessite la
modélisation et l’évaluation des différents efforts supposés agir sur la structure.
Pour cela il est commencé par les efforts générés par le fonctionnement de la
turbine, ensuite il est considéré l’effet direct du vent sur la tour. L’utilisation du
calcul par éléments finis a permet de donner les contraintes normale maximales
et les déflexions maximales dans le cas de sollicitations maximales de
fonctionnement et lors de l’installation de la tour. Il est vérifié que dans tous les
cas les contraintes sont très loin des valeurs ultimes du matériau.
Chapitre IV: Cas d’application
52
IV.1. Introduction :
Dans cette partie du mémoire sera considérée une tour d’éolienne d’une
puissance de 1.65 MW. Elle sera le sujet de notre étude. Il faut commencer par
une modélisation géométrique de la tour. Par la suite, il est nécessaire de
modéliser les différentes sollicitations subit par la structure lors de son
fonctionnement, Il est bien sûr considérer une situation de sollicitation extrême
auquel la structure doit faire face en gardant son intégrité. L’outil de calcul étant
la méthode des éléments finis, ce qui oblige de passer par les étapes classiques
de choix d’élément, de maillage, de conditions de limite et les sollicitations de
fonctionnement. Les paramètres calculés sont la déflexion de la tour, la
contrainte équivalente de Von Mises ainsi que les réactions au sol. Par ailleurs,
les sollicitations sont calculées selon les normes en vigueur.
IV.2. Géométrie de la tour:
La tour sujet de notre étude est celle utilisée pour une 'éolienne de
puissance nominal de 1,65 MW de marque Vestas (producteur mondial danois
d’éoliennes). Elle est fabriquée en acier, sa section est circulaire, les dimensions
de cette tour sont réels. Elle est composé, comme illustré sur la figure (IV.1) ; de
quatre parties composées de petites pièces soudées ensemble. En bas de la tour
est conçue une porte qui permet l’accès à l’intérieur et à la nacelle par un
ensemble d’escaliers pour effectuer les interventions et les réparations
éventuelles. La hauteur de la tour est de 78,23 m, alors que le moyeu est placé à
une hauteur de 80 m. Les trois premières sections ont un diamètre de 3.65
mètres, alors que la quatrième section est de forme conique. Les Figure (IV.1) et
figure (IV.2) montrent les détails de base et de la géométrie de la tour (diamètre,
l'épaisseur et la longueur de toutes les pièces), respectivement.
Chapitre IV: Cas d’application
53
L’acier utilisé est conforme à la norme ASTM A709 avec une limite
d'élasticité nominale de 345 MPa. Selon la meme norme la base qui est de 17,5
m de haut de la tour Vestas est de catégorie 3 alors que le reste de la tour est de
classe4 [15].
Figure IV.1 : Dimensions de la tour d’éolienne et sa disposition[16].
N°section Hauteur à partir
de la base (mm)
D
(mm) Epaisseur
(mm)
Chapitre IV: Cas d’application
54
Figure IV.2 : Détails à la base de la tour de l'éolienne Vestas[16].
(a) vue de face / porte (b) vue de côté/ porte (c) Vue arrière / trou de câble
IV.3. Modélisation des chargements :
Dans ce paragraphe nous allons définir et exposer les différentes
sollicitations qui s’exercent sur l’éolienne et qui sont essentiellement en nombre
de quatre.
IV.3.1. Le poids :
Le poids de tour est calculé par le logiciel ANSYS à partir de la géométrie
et de la densité de l'acier pris égale à 7850 kg/m3. Le poids de la nacelle vaut 52
tonnes alors que le rotor a un poids de 43 tonne. Ces derniers sont considérés
comme des actions ponctuelles placées à la hauteur de moyeu c'est-à-dire à 80
m. Le poids de la nacelle passe par l’axe de la tour alors que le poids du rotor a
une excentricité de 3.44m entre l'axe de la tour. Le centre de masse de la tour est
à 52,73 m au-dessus du sol [16].
IV.3.2. Action du vent sur le mat: La deuxième action pouvant s'exercer sur la tour de l’éolienne est celle du
vent. Pour déterminer ses différentes caractéristiques, nous appliquons le
règlement Algérien RNV 99 [17], qui définit les effets du vent sur les
constructions et qui donne les paramètres à considérer dans les calculs en
relation.
Chapitre IV: Cas d’application
55
Le calcul de la charge du vent sur la tour fait intervenir son diamètre
extérieur D, la pression dynamique Pd et le coefficient de traînée Cd [18] :
DPCu dd (IV.1)
Pour aller dans le sens de la sécurité, nous retenons les pressions
dynamiques correspondant à la région la plus défavorable de l’Algérie (zone
III)[17], est calculée par la formule de Bernoulli suivante :
25.0 VPd (IV.2)
Où :
ρ : (en kg/m3) est la masse volumique de l’air (ρ = 1,25 kg/m3) ;
V : la vitesse moyenne du vent (V= Ct Cr Vréf);
Cr : est le coefficient de rugosité (RNV 99chapitre 2, § 4.2);
Ct : est le coefficient de topographie (RNV 99chapitre 2, § 4.3);
Vréf (en m/s) :est la vitesse de référence (RNV 99 annexe 1).
Pour le site plat, les régions lisses et sans obstacles et pour la zone III selon la
norme algérienne, on obtient les paramètres Ct = 1, Vréf =31m/s.
Donc, pour déterminer le coefficient de trainée Cd il faut premièrement, calculer
le nombre de Reynolds à partir la formule suivant :
DVRe (IV. 3)
Chapitre IV: Cas d’application
56
(en m²/s) :est la viscosité cinématique de l’air ; dans le cadre de DTR (le
document technique réglementaire)[17], on prendra sm /1015 26 .
Le coefficient Cd est donné par les graphes en fonction du nombre de
Reynolds Re (voir figure (IV.3)).
Figure IV.3 : Coefficient de trainée en fonction de nombre de Reynolds[17].
La tour ayant trois parties dont le diamètre est fixe, alors que et la dernière
partie est de forme conique, l’intensité du vent dans ce cas va avoir une allure
similaire à l’allure de l’intensité du vent pour les trois sections de même
diamètre, alors que pour la partie conique il y a une compétition entre
l’augmentation de l’intensité du vent avec la diminution du diamètre de la tour.
Suite à la détermination des paramètres de l’équation (IV.1), on obtient la
fonction donnant la distribution de la valeur de la charge du vent le long de la
tour comme illustré sur la figure (IV.4).
Chapitre IV: Cas d’application
57
Figure IV.4 : Distribution de l’intensité du vent le long de la tour.
IV.3.3. Action du vent sur les pales :
Nous devons impérativement vérifier si la structure peut assurer une
résistance suffisante et déterminer à quel niveau on assure cette résistance. C’est
pour cela qu’il est nécessaire de calculer les différents efforts dû au
fonctionnement de l’éolienne. Il faut aussi calculer les efforts engendrés par le
vent sur la structure.
Figure IV.5. Champ de vitesse du vent [2].
Chapitre IV: Cas d’application
58
: vitesse d’un élément de pale dû à la rotation des pales .
U=ωR
: vitesse du vent.
: la vitesse relative.
Angle d’incidence ( i) : l’angle formé par la corde et la vitesse relative W.
Angle de calage (α) : l’angle formé par la corde et le plan de rotation des pales.
Angle d’inclinaison (l) : l’angle formé par la vitesse relative W et le plan de
rotation des pales [7].
La composante de la force aérodynamique par unité de longueur qui
s’exerce perpendiculairement sur la corde est :
212
1rWCF nn
(IV. 4)
Figure IV.6: Présentation de la composante Fn ┴ à la corde .
U
V
UVW
W
Chapitre IV: Cas d’application
59
Après le passage en revue des équations nécessaires pour le calcul des
efforts dus au fonctionnement de pale, la partie suivante sera consacrée à la
considération de cas pour le lesquels sera effectués les calculs nécessaires.
Les données :
i: Angle d’incidence =8.5°
Les valeurs des coefficients adimensionnels Cx et Cz dépendent de
l’angle d’incidence (i) et sont déterminés expérimentalement en
soufflerie.
Cz = 1.439 , Cx = 0.984
L : Longueur de la pale L= 45 m
Largeur l
9
49
162
2
200
R
r
R
PCZ
444.0225
36
188.582
r
.
Pour faciliter les calculs d'intégrales on procède au développement limité
qui permet de passer d’une expression fractionnelle avec radical à une équation
polynomiale qui donne la longueur de la pale en fonction de r on obtient:
442.0996.0942.0312.0 23 rrrl
V=10 m/s
ω=0.733rad/s
Chapitre IV: Cas d’application
60
La vitesse spécifique ou le paramètre de rapidité noté λ0 est le rapport
entre la vitesse de l'extrémité des pales et la vitesse du vent.
λ0 = 6
ρair =1.25 kg/ m3
Tel que, le coefficient aérodynamique de Lilienthal vaut :
Cn = (Czcosi + Cx sin i)
Cn = (1.439. cos 8.5° + 0.984. sin 8.5°)
Cn= 1.658
Et la vitesse relative vaut :
W2 = U2 + V2 + 2 U V sin β
Dans le cas d’une marche normale, il est pris :
β =0°, V = 10 m/s et U =32.985 m/s
Donc la vitesse relative vaut :
smW /34,467510985.32 22
W = 34,4675m/s
Ce qui donne alors l’effort normal:
Fn = 1/2.ρ.Cn .l.r.W2 = 1.036.l.r.w²
Fn = 1.036.l.r.W²
Chapitre IV: Cas d’application
61
Pour déterminé Fn max on fait la discrétisation de notre pale en plusieurs sections
comme présentée dans les tableaux ci-dessous.
r (m) 13,5 18 22,5 27 31,5 36 40,5 45
l (m) 4,963 3,842 3,122 2,625 2,263 1,988 1,772 1,598
W (m/s) 34,46 34,46 34,46 34,46 34,46 34,46 34,46 34,46
Fn (N) 82462 85115 86455 87231 87735 88084 88327 88505
Tableau IV.1. Valeurs de Fn le long de la pale 45 m
Figure IV.7 : Evolution des valeurs de Fn le long de pale à 45 m.
Les calculs nous ont permet d’obtenir la valeur maximale de Fn et qui vaut :
Fn max ≈ 88505 N.
0E+01E+42E+43E+44E+45E+46E+47E+48E+49E+41E+5
1 2 3 4 5 6 7 8
For
ce n
orm
ale
Fn
(N)
N° du Profile
Chapitre IV: Cas d’application
62
IV.3.4. Le couple moteur :
Parmi les sollicitations importantes s’exerçant sur la tour d’éolienne est le
couple moteur générer par la rotation des pales qui entrainent la génératrice, ce
couple est lié directement à :
P : la puissance de la génératrice (w) ,
ω : la vitesse de rotation (rad/s).
Sa valeur est obtenue à partir de la puissance de la génératrice et de la vitesse de
rotation du rotor. On obtient pour le couple une valeur de :
mNP
C .2251733.0
1650
mNC .2251
IV.4. Résultants et discussion :
Avant de lancer les calculs par l’utilisation du logiciel ANSYS d’éléments
finis, il faut importer la tour conçue, ensuite on suit les étapes classiques qui sont
: le choix d’élément, le maillage, les actions mécaniques et les conditions aux
limites de la tour. L’élément choisi pour le calcul est un élément coque à huit
nœuds, avec six degrés de liberté par nœud, il convient parfaitement aux calculs
à cause du grand rapport diamètre/épaisseur le long de la tour, il assure une
bonne stabilité vis-à-vis les flambements local. Cet élément est disponible dans
la bibliothèque d’ANSYS sous le nom deSHELL281.
Les résultats obtenues suite aux calculs concernent : les déplacements ou la
déflexion, les contraintes maximales, le rapport contrainte max/limite élastique,
et enfin les réactions générées à la base de la tour et qui vont permettre de
calculer les fondations nécessaire pour la fixation de la tour au sol.
Chapitre IV: Cas d’application
63
Il faut rappeler que les calculs sont effectués pour un vent extrême
conformément à la norme Algérienne [17]. En effet le règlement prévoir pour
les zones les plus défavorable une vitesse maximale du vent atteignant les 31
m/s.
IV.4.1. Calcul des déplacements :
Le premier paramètre exploré concernant le comportement de la tour est
son fléchissement sous une sollicitation extrême de fonctionnement. La figure
(IV.8) donne la courbe de l’évolution de la valeur du déplacement le long de la
tour. Il est trouvé que le déplacement total maximal est de 0.574 mètre qui est
très proche du déplacement dans la direction de l’axe x.
Fig IV.8 :Déflexion maximale le long de la tour.
IV.4.2. Calcul des contraintes de Von Mises:
Maintenant nous allons présenter les contraintes générées dans la tour.
Nous allons utiliser la contrainte équivalente de Von Mises pour pouvoir juger
des niveaux de sollicitation. La figure (IV.9) donne l’histogramme de
l’évolution de la contrainte de Von Mises sur la ligne face au vent et qui passe
Chapitre IV: Cas d’application
64
par la porte d’entrée à la tour. Dans la plus part des cas la contrainte ne dépasse
pas les 70 MPa.
Fig IV.9.Contrainte de Von mises le long de la tour sur la ligne face au vent.
Par ailleurs, il est trouvé que la porte d’entrée à la tour présente une
singularité qui génère une concentration de contrainte. Sur la figure (IV.10); il
est illustré la distribution de la contrainte en échelle coloré sur toute la base de la
tour incluant la porte d’entrée. Au milieu du cadre de la porte la contrainte a
atteint une valeur exceptionnelle de près de 229 MPa. Cette valeur reste
cependant inférieure à la contrainte ultime du matériau. Pour évaluer le niveau
de la sollicitation, la figure (IV.11) donne en échelle colorée le rapport entre la
contrainte équivalente de Von Mises et la contrainte ultime. Ce rapport est de
92% près de la porte ; alors qu’il est 30% un peu plus loin de la porte.
Chapitre IV: Cas d’application
65
Figure IV.10 : Contrainte de Von mises en échelle colorée à la base de la tour.
Figure IV.11 : le rapport de Contrainte en échelle colorée à la base de la tour.
IV.4.3.Réactions au niveau de la fondation :
La tour doit être fixée au sol par une certaine fondation. Cette fondation
doit être en mesure de résister aux différents forces et moments générés par le
fonctionnement de la tour. Pour cela nous avons déterminé les forces de
réactions qui vont servir dans le dimensionnement de la fondation.
Chapitre IV: Cas d’application
66
Axe x Y z
F(tonnes) 31,8 235 ,1 0
M(KN.m) -187,5 70,7 20935
Tableau IV.2 : Valeurs des réactions au niveau de la base de la tour.
68
Conclusion générale
La tour d’une éolienne permet le maintient de sa turbine à une certaine hauteur
qui assure un fonctionnement optimal offrant un rendement élevé et une
récupération maximale de puissance. Le cout de la tour représente près de 30%
du cout globale de l’investissement.
L’important élancement de la tour nécessite impérativement la vérification de sa
résistance et de son intégrité structurale. L’effort de ce travail s’inscrit dans le
cadre de la maitrise des technologies des éoliennes. En considérant une tour
d’une hauteur de 78 mètres pouvant supporter une turbine d’une puissance de
1.6 MW ; Il est présenté une démarche et est proposé des outils nécessaires pour
la vérification de la résistance mécanique et du comportement de la tour, ceci a
nécessité la modélisation, et l’évaluation des différents efforts supposés agir sur
la structure. Ces efforts sont dus au fonctionnement de la turbine, et à l’effet
direct du vent sur la tour et sur les pales. L’utilisation du calcul par éléments
finis a permet de déterminer les contraintes de Von Mises maximales et les
déflexions maximales dans le cas de sollicitations extrêmes de fonctionnement.
Il est aussi identifié les endroits les plus sollicités de la tour qui se situent au
niveau de la porte.
69
Référence :
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[11] P. E. Uys, J. Farkas, K. J´armai et al., “Optimisation of a steel tower for a wind turbine structure,” Engineering Structures no. 29 pp. 1337–1342, 2007.
[12] S. Cicero, and R. L. , R. Cicero, “Estimation of the maximum allowablelack of penetrationdefects incircumferentialbuttwelds of structural tubulartowers,” Engineering Structures, vol. 2009, no. 31 pp. 2123–2131, 2009.
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(CSA), Canada, 2009.
70
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[17] CNERIB, "Règlement Neige et Vent 1999," éd: Le Centre National d’Etudes et de Recherches Intégrées du Bâtiment, 2000.
[18] P. R. Smith et T. J. Van Laan, Piping and pipe support systems : design and engineering. New York: McGraw-Hill, 1987.
71
Annexe : charge du vent dans chaque section de la structure
Z (mm) D (mm) Pd V (m /s) Re Cd U (N /m²)
0 3650 303,75 22,5 5475000 0,08 88,695
1101 3650 303,75 22,5 5475000 0,08 88,695
4081 3650 391,6666726 25,54892703 6216905,577 0,08 114,3666684
7049 3650 466,1217643 27,87173778 6782122,86 0,08 136,1075552
10016 3650 517,3971537 29,3647545 7145423,595 0,08 151,0799689
12496 3650 551,0597761 30,30495981 7374206,887 0,08 160,9094546
14976 3650 579,39703 31,0743812 7561432,759 0,08 169,1839328
17456 3650 603,93714 31,72562786 7719902,78 0,08 176,3496449
19936 3650 625,6236009 32,29021365 7857285,321 0,08 182,6820915
22416 3650 645,0818683 32,788517 7978539,136 0,08 188,3639055
25001 3650 663,4624967 33,25236554 8091408,949 0,08 193,731049
27481 3650 679,5995652 33,65432643 8189219,432 0,08 198,443073
29961 3650 694,5108883 34,02153357 8278573,168 0,08 202,7971794
32496 3650 708,6755833 34,36672056 8362568,67 0,08 206,9332703
35076 3650 722,1301342 34,69142112 8441579,139 0,08 210,8619992
32496 3650 708,6755833 34,36672056 8362568,67 0,08 206,9332703
35076 3650 722,1301342 34,69142112 8441579,139 0,084 210,8619992
37556 3650 734,2681701 34,98176419 8512229,286 0,085 214,4063057
40036 3650 745,7214094 35,25353425 8578360,001 0,085 217,7506515
42516 3650 756,566874 35,50896531 8640514,893 0,086 220,9175272
44996 3650 766,8690639 35,74991108 8699145,029 0,086 223,9257667
47476 3650 776,6825551 35,97792665 8754628,818 0,087 226,7913061
49956 3650 786,053953 36,19432942 8807286,825 0,088 229,5277543
52436 3650 795,0233857 36,40024515 8857392,986 0,088 232,1468286
54896 3650 803,5576738 36,59509536 8904806,537 0,089 234,6388407
57255 3543 811,4297938 36,77391193 8685997,999 0,086 229,9916608
59535 3436 818,770254 36,93987188 8461693,32 0,084 225,0635674
61821 3328 825,8843915 37,10000652 8231254,78 0,08 219,8834604
64114 3220 832,7900455 37,25478997 7997361,581 0,08 214,5267157
66413 3112 839,4974994 37,40451778 7760190,622 0,08 209,0012975
68718 3004 846,0189366 37,54952078 7519917,361 0,08 203,3152709
71029 2895 852,3654302 37,69009833 7274188,977 0,08 197,4078336
73347 2786 858,5497059 37,82658011 7025656,812 0,08 191,3535584
74789 2718 862,3099011 37,90932426 6869169,555 0,08 187,5006649
76230 2650 866,0037248 37,99043241 6711643,058 0,08 183,5927897
78230 2282 871,0290174 38,10049941 5796355,978 0,08 159,0150574
Résumé :
La présente étude s’intéresse à une partie importante de l’éolienne qui est la tour ou appelé aussi le
mat. La tour permet de placer le rotor de l’éolienne à une certaine hauteur garantissant une vitesse de
vent plus forte et plus régulière. L’intérêt de cette partie est justifié, dans l’objectif de minimiser le
cout de la tour qui à elle seule représente près de 30% du cout total de l’éolienne. Notre contribution à
travers ce travail consiste à exposer la démarche concernant le calcul d’une telle structure qui présente
plusieurs particularités, on passe tout à bord par une phase de modélisation et de calcul des différentes
sollicitations de fonctionnement de la tour ainsi que de sa géométrie, ensuite vient le calcul nécessaire
pour la vérification de la résistance à des sollicitations extrêmes de fonctionnement. L’outil de calcul
étant les éléments finis. La tour étudiée est de forme tubulaire en acier d’une hauteur de 78 mètres qui
peut porter une turbine de 1.6 MW de puissance. Les résultats illustrent le comportement de la tour,
identifient les endroits les plus sollicités et vérifient la résistance de la structure selon les normes en
vigueur.
Mots clés : Eolienne, Tour, Eléments finis, Normes, structure.
Abstract:
This study focuses to the essentiel part of the wind tubine which is the tower . The tower can be hold
the wind turbine rotor at the certain height to must have highest wind speed and regular. The interest
of this study is justified in order to minimize the cost it only represents about 30% of the total cost of
the wind turbine. Our contribution through this work is to present the approach for the calculation of
such a structure has several features, we lock firste through a phase of modeling and calculation of the
various demands for operation of the tower and its geometry, then comes the computation required for
verification of resistance to extreme loads operation. The calculation tool is the finite elements.
Studied tower is a tower of tubular form made about steel having a height of 78 meters which may be
hold 1.6 MW turbine power. The results illustrate the behavior of the tower, identify the section most
attract and check the resistance of the structure according to the standards places.
Keywords : wind turbine, tower, finite elements, standards, structure.
: ملخص
بوضع الدوار فوقھ على ارتفاع ھذا العنصر یسمح.البرج المتمثل فيالھوائیة وربینات في الت بالجزء المفصليھذه الدراسة ھتم ت
من التكلفة ℅ 30لمثت نھاأل البرج وھو تقلیل من تكلفةھذا الجزء معلل من الھدف ،یضمن سرعات ریاح عالیة ومنتظمة مناسب
ثم التحقق من ،ج بالمرور عبر مرحلة التمثیلھو تقدیم الحسابات الھیكلیة للبر مساھنتنا من خالل ھذا العمل .لتوربینات اإلجمالیة
ارتفاعھ نبوبي من الصلباأل البرج المدروس ذو الشكل. العناصر المنتھیة الحساب ھو القصوى. أداة مقاومتھ اثناء تشغیل األحمال
البرج، كما ساعدت على معرفة المناطق المعرضة لقوة سلوكاظھرت طاقة. میغاواط 1.6 والقادر على حمل توربین لتولید مترا 78
.المعمول بھامعاییر وفقا ل الھیكل مقاومة من وتحقق الریاح،
.ھیكل، رالمعایی،نتھیةالعناصر الم، برج، بینات الریاحروت : مفتاحیة كلمات